AMD的Zen3內(nèi)核芯片技術(shù)架構(gòu)

1、 AMD的Zen 3內(nèi)核芯片架構(gòu) 我們已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有看到一個(gè)新CPU性能較之上一代能有明顯的提升的狀況出現(xiàn)，而AMD的Ryzen 5000系列產(chǎn)品以及他們的新Zen 3內(nèi)核就做到了這一點(diǎn)。雖然我們只有很短的時(shí)間來(lái)使用功能全面的Ryzen 5950系統(tǒng)，但這就足夠給我們留下了深刻的印象。Linux Mint 20的啟動(dòng)速度是如此之快以至于引人注目，這實(shí)際上是我們?nèi)粘Ｖ饕到y(tǒng)花費(fèi)時(shí)間的一小部分。其中大部分取決于PCIe4 SSD，但CPU不得不在輸入數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理。在系統(tǒng)上花了幾分鐘的時(shí)間后，我們?cè)诩技蝀570 Aorus Master主板上搭配了AMD Ryzen 9 5950X、三星98

2、0 Pro PCIe4 SSD和16GB GSkill Trident Z Royal DDR4-3600內(nèi)存，該系統(tǒng)在所有內(nèi)核上均以1.25V的電壓在4.5GHz頻率運(yùn)行。考慮到所有這些，在我們看來(lái)，有一件事也很突出，該系統(tǒng)速度非?？?。由于它是目前市場(chǎng)上最高端的游戲PC，因此您希望它能發(fā)布出最好的數(shù)字，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)要了解表明它確實(shí)符合SemiAccurate的早期主張，即“ AMD應(yīng)該在現(xiàn)在一切上取勝，而英特爾沒(méi)有回應(yīng)”。唯一真正的問(wèn)題是它如何到達(dá)那里，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的故事。Ryzen 5000 Chiplet布局如果您查看Ryzen 5000 CPU的高級(jí)框圖，它們看起來(lái)就像基于Zen 2

3、的Ryzen 3000。他們有一個(gè)或兩個(gè)CCD，但是基于經(jīng)過(guò)改進(jìn)的7納米制程（在Intel語(yǔ)言中為+或+）和一個(gè)cIOD。該cIOD與R3K產(chǎn)品線中的cIOD完全相同，而這顆來(lái)自Global Foundries 12nm的芯片面積為125平方毫、擁有20.9億個(gè)晶體管，整個(gè)die幾乎沒(méi)有任何改變。在CCD方面，幾乎所有方面都發(fā)生了變化，但現(xiàn)在我們將重點(diǎn)關(guān)注在die本身上。這些變化需要一個(gè)新的封裝，其接線方式不同，但僅此而已。每個(gè)CCD為80.7平方毫米，包含41.5億個(gè)晶體管。這意味著單個(gè)CCD封裝的總硅面積為205.7平方毫米，兩個(gè)CCD SKU的總硅面積為286.4平方毫米。更令人印象深刻

4、的是，AMD能夠提高DDR4-4000支持的內(nèi)存速度，而無(wú)需更改包含內(nèi)存控制器的cIOD。對(duì)于基于Milan的服務(wù)器產(chǎn)品，這具有一些非常有趣的含義，但這又是另一回事了。更多緩存：深入研究CCD，我們會(huì)看到一些差異出現(xiàn)，特別是在核心組織層面。Zen 2 / Rome CCD邏輯上細(xì)分為兩個(gè)4C CCX，每個(gè)CCX具有16MB的L3緩存。這兩個(gè)高速緩存片和核心群集沒(méi)有直接連接，要使核心4與核心5進(jìn)行通信，它必須離開(kāi)裸片，轉(zhuǎn)到cOID，然后返回同一CCD上的另一個(gè)CCX。這是巨大的功耗浪費(fèi)，還增加了延遲，而且通常不是一個(gè)好主意。您唯一能說(shuō)的好事是，任何兩個(gè)CCX之間的延遲都相當(dāng)一致。Zen 2 vs

5、 Zen 3 的CCX安排Zen 3 / Milan通過(guò)將CCX升級(jí)為具有32MB可直接訪問(wèn)的L3緩存的8C來(lái)解決此問(wèn)題。每個(gè)L3高速緩存塊都經(jīng)過(guò)地址切片（address sliced），但轉(zhuǎn)到另一個(gè)CCD仍意味著需要進(jìn)行一些封裝和cIOD traversals，并且鏈接的負(fù)載遠(yuǎn)小于Zen 2設(shè)備上的負(fù)載。借助少量的OS調(diào)度程序支持或軟件優(yōu)化，這將帶來(lái)整體性能顯著提高。不利的一面在于，較大的L3意味著延遲從16MB Zen 2 L3中的39個(gè)周期增加到Ryzen 5000中的46個(gè)周期?？傮w而言，最壞的情況稍差一些，但平均性能和實(shí)際性能要好得多。Zen 3的緩存層次結(jié)構(gòu)在L1和L2緩存上，Ze

6、n 3與上一代相比沒(méi)有太大變化。L1 I $和D $仍然分別為32K，而L2仍為512K，這三個(gè)延遲均保持不變。L3則是高速緩存的“受害者”，因此僅當(dāng)從L2撤出東西時(shí)才填充它，但它具有陰影標(biāo)簽，因此其他內(nèi)核可以從同一裸片上的L2中拉出而無(wú)需掉頭到內(nèi)存控制器。從核心開(kāi)始，帶寬也得到了改善，該核心現(xiàn)在可以每個(gè)周期執(zhí)行三個(gè)負(fù)載或兩個(gè)存儲(chǔ)，除非它是一個(gè)256b操作，分別最大為2和1。內(nèi)存路徑始終為32B /周期，但L3寫(xiě)入內(nèi)存的方式僅為16B /周期。除此之外，從上表中可以看到，一切變化不大。一切都相同或更好，并且在實(shí)際工作負(fù)載中顯示出了好處。進(jìn)入核心：Zen 3核心是全新的，其整數(shù)管道（Intege

7、r pipes）從7擴(kuò)展到10，F(xiàn)P從4擴(kuò)展到6，并且據(jù)稱可以更好地利用一切。AMD將新內(nèi)核的目標(biāo)描述為性能，延遲和效率的提升，但凈能耗沒(méi)有增加。據(jù)了解。其IPC增長(zhǎng)了19，每瓦性能提高了24，所有這些似乎都表明AMD達(dá)到了目標(biāo)。Zen 2 vs Zen 3框圖一如既往，細(xì)節(jié)決定成敗，但即使從高級(jí)的角度來(lái)看，很明顯內(nèi)部也發(fā)生了很多變化。在前端，兩種架構(gòu)之間的情況看起來(lái)相當(dāng)相似，但Zen 3將Micro-Op Queue分為Op Queue和Dispatch階段，但實(shí)際差異更加細(xì)微。BTB翻倍、分支預(yù)測(cè)器帶寬增加、等待時(shí)間減少、準(zhǔn)確性增加，并且過(guò)渡得到更好的處理。Zen 3前端概述分支預(yù)測(cè)器變得

8、更快是不錯(cuò)的，準(zhǔn)確性也略有提高，但最大的成功在于延遲?！盁o(wú)氣泡”聲明意味著一旦預(yù)測(cè)到某些結(jié)果，該結(jié)果就可以在下一個(gè)周期使用，而不必等到將結(jié)果發(fā)送到正確的塊時(shí)再使用。這確實(shí)很難做到，AMD不會(huì)評(píng)論確切的方法，但是會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間。類(lèi)似地，從錯(cuò)誤預(yù)測(cè)中恢復(fù)所花費(fèi)的時(shí)間也減少了，這同樣也是為了降低預(yù)測(cè)延遲。Zen 3的提取/解碼單元分支預(yù)測(cè)器每個(gè)周期可以將四個(gè)操作拉入隊(duì)列。AMD改進(jìn)了處理極端情況和邊界過(guò)渡的方式，這再次提高了延遲。那就是說(shuō)x86可變長(zhǎng)度操作數(shù)是一個(gè)痛苦的事情，即使有了改進(jìn)，事情也會(huì)變得很快復(fù)雜。一旦將其解碼并存儲(chǔ)在操作緩存中，這些邊界是已知的，并且情況變得更加清晰，因此每個(gè)周期可以將

9、八個(gè)操作分配給該橙色框而沒(méi)有名稱。所說(shuō)的半匿名橙色框非常重要，因?yàn)閆en 2令人頭疼的是將I $端和Op-Cache端的操作重新組合在一起，這可能需要花費(fèi)一些時(shí)間才能正確排列所有內(nèi)容。Zen 3這樣做的速度更快，減少了等待時(shí)間，并且又是專有的。最重要的是，這里做出的決策要細(xì)得多，因此要好一些，要快一些?？偠灾?，總的來(lái)說(shuō)，前端要稍微精確一些，而延遲卻要低得多，從而在性能和功耗上取得了巨大的成功。整數(shù)上升：Zen 3的前端每個(gè)周期可以發(fā)出16條指令，而Zen 2中為11條指令。在幾乎不可思議的巧合中，該數(shù)字與Zen 3中的16條管道非常接近，而Zen 2中為11條。FP則從4增加到6。從整體芯片

10、的效率可以看出，AMD在這方面似乎已經(jīng)取得了平衡。Zen 3的整數(shù)單元從上圖可以看到，調(diào)度程序（scheduler ）從92個(gè)條目增加到96個(gè)條目，更具體地說(shuō)，是四個(gè)24條目調(diào)度程序，物理寄存器文件從12個(gè)增加到192個(gè)，ROB則提高到256個(gè)條目，而不是Zen 2的224個(gè)。這些數(shù)字在效率方面非常有用，他們確保每個(gè)單元都有足夠的空間來(lái)保持最佳狀態(tài)，但是真正的變化在于管道本身。如您所見(jiàn)，現(xiàn)在有4個(gè)ALU，3個(gè)AGU，一個(gè)專用分支單元和2個(gè)存儲(chǔ)單元。這10個(gè)單元中的每個(gè)單元（注意，上面的幻燈片中沒(méi)有全部圖示）可以在每個(gè)周期內(nèi)饋送，這是較之Zen 2的一個(gè)很大改進(jìn)。還要注意，管道的排列方式使每個(gè)A

11、LU / AGU對(duì)都由一個(gè)調(diào)度程序饋送，但是它們?nèi)匀荒軌颡?dú)立工作。這是效率的重要部分，它允許以更少的復(fù)雜性進(jìn)行更多的工作。如果必須對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，則會(huì)添加管道以避免爭(zhēng)用，并且出于類(lèi)似的原因，它們的排列也更好。較少的復(fù)雜性和布線往往會(huì)使事情變得更有效率，這就是重點(diǎn)。FP單元版本 3.000000：在FP端，延遲也是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)化領(lǐng)域，這是更廣泛的問(wèn)題。新的架構(gòu)仍然有2個(gè)Mul和2個(gè)Add管道，但是F2I（Float 2整數(shù)）功能已被分解以分離管道，并且其中一個(gè)與存儲(chǔ)單元結(jié)合在一起。顯然，這可以減少爭(zhēng)用，并且由于可以同時(shí)送入所有六個(gè)管道，因此可以提高吞吐量。Zen 2的5周期FMAC操作減少了一個(gè)周

12、期，因此延遲也減少了。調(diào)度程序會(huì)隨著內(nèi)部帶寬的增長(zhǎng)而增加一點(diǎn)，所以一切都很好。此外，在FP單元閑置時(shí)，將數(shù)字提升到指數(shù)的精靈還有更多舒適的椅子可以坐在那里，因此在需要時(shí)它們會(huì)很新鮮。只是檢查看看您是否還在關(guān)注。加載和存儲(chǔ)：加載/存儲(chǔ)始終是與非技術(shù)朋友討論的有趣話題，AMD這次給我們帶來(lái)了一些新的東西。主要的是3個(gè)AGU，這意味著它們每個(gè)周期可以完成三個(gè)加載或兩個(gè)存儲(chǔ)，或者兩個(gè)（如前所述）為256b，則可以存儲(chǔ)兩個(gè)。這是雙贏，更大的帶寬和更大的靈活性，這在現(xiàn)代超優(yōu)化內(nèi)核中是罕見(jiàn)的。還有更好的內(nèi)存依賴檢測(cè)，還有四個(gè)TLB Walker，總共六個(gè)。其余的改進(jìn)可以總結(jié)為“到處都有更好的情況”。存儲(chǔ)隊(duì)列

13、增加了33，達(dá)到64個(gè)條目，但是大多數(shù)其他結(jié)構(gòu)的原始大小或多或少都相同?？珥?yè)面邊界的更好的預(yù)取在更早的時(shí)候就被提出了，而且對(duì)存儲(chǔ)到加載的前向依賴項(xiàng)也有了更好的預(yù)測(cè)。專門(mén)被調(diào)用的一條指令是REP MOVSB，它對(duì)短副本的延遲確實(shí)很高。在Zen 3中，在短迭代次數(shù)上減少了很多，在中位數(shù)上得到了改善，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看仍然可以正常工作。同樣，在許多地方略微減少延遲會(huì)帶來(lái)很多好處，這就是裝入/存儲(chǔ)單元的全部更改。還有很多其他小事情，它們又使Zen 3內(nèi)核比Zen 2更快，更高效。一些指令的執(zhí)行速度更快，其中一些已在上面提到，還有很多事情，例如執(zhí)行時(shí)的指令排序。Op緩存之間的延遲要低得多。最終，所有這些都加起

14、來(lái)很大，特別是AMD聲稱IPC增加19，每瓦提升24。除此之外，還有一些新功能，一些次要功能，一些重要功能。在安全方面，Zen 3現(xiàn)在支持控制流實(shí)施技術(shù)（Control-Flow Enforcement Technology ：CET），基本上是用于阻止ROP攻擊的影子堆棧。VAES和VPCLMULQD這兩個(gè)指令現(xiàn)在具有AVX2支持，這應(yīng)該可以極大地緩解等待此情況的粉絲的煩惱。越來(lái)越多的粉絲正在等待AMD對(duì)MPK的描述，該描述有效地允許了更精細(xì)的內(nèi)存權(quán)限。SemiAccurate詢問(wèn)了有關(guān)問(wèn)題，但AMD沒(méi)有解釋，但我們認(rèn)為當(dāng)Milan/ Epyc 3發(fā)布時(shí)，他們很快就會(huì)解決。另一個(gè)好處是，AMD終于對(duì)其基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置進(jìn)行了可靠的披露。希望他們GPU方面也能與時(shí)俱進(jìn)。因?yàn)榭尚湃蔚臄?shù)字都是信任所必需的。結(jié)論：最終，我們來(lái)到這里，采用Ryzen 5000系列的Zen 3已經(jīng)面世，從遠(yuǎn)處看，它看起來(lái)很像Zen 2 / Ryzen3000。放大之后，您可以看到CCD上的所